MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội đời sống của nhân dân dần được cải thiện và nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng, dẫn đến lượng rác thải sinh ra ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thải sinh hoạt (RTSH) tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 12% [1]. Lượng RTSH tăng dần theo thời gian dẫn đến lượng nước rỉ rác (NRR) sinh ra ngày càng tăng. NRR sinh ra từ các bãi chôn lấp cũng như phát sinh tại trạm trung chuyển có mức độ ô nhiễm cao với chỉ số COD lên đến 70000 mg/l [2], chất rắn hòa tan tới 50000 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng đến 2000 mg/l và hàm lượng nitơ cao tới hơn 3000 mg/l,. NRR bốc mùi hôi nặng lan tỏa nhiều kilomet, có thể ngấm xuyên qua mặt đất làm ô nhiễm nguồn nước ngầm và dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước mặt.
Do đó, ô nhiễm môi trường bởi NRR từ lâu đã là vấn đề nan giải, được sự quan tâm đặc biệt trong công tác bảo vệ môi trường. Mặc dù theo quy định mỗi bãi chôn lấp rác đều có hệ thống xử lý NRR nhưng những phương pháp xử lý NRR đã và đang được áp dụng tại hầu hết các bãi chôn lấp (BCL) ở nước ta vẫn còn bộc lộ rất nhiều nhược điểm như: chất lượng nước sau xử lý thường không đạt tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt là hai chỉ tiêu COD và nitơ (QCVN25 :2009/BTNMT, cột B), hoặc xử lý được nhưng tiêu tốn nhiều hóa chất, chi phí xử lý rất cao, khó vận hành hệ thống xử lý,. Nguyên nhân là do NRR có thành phần rất phức tạp và thay đổi theo thời gian vận hành của BCL. Việc lựa chọn các công nghệ xử lý chưa phù hợp đã dẫn đến nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường thải ra sông, rạch vẫn còn rất hạn chế trong khi lượng NRR tại các bãi chôn lấp thì tiếp tục tăng lên.
Do đó, vấn đề tìm ra công nghệ thích hợp để có thể xử lý hết lượng NRR phát sinh hàng ngày, cải tạo lại các hệ thống xử lý NRR đang hoạt động và trang bị cho các bãi chôn lấp mới là nhu cầu hết sức bức thiết. Phương án kết hợp quá trình keo tụ điện hóa (EC) với quá trình lọc sinh học (BF) là một trong những giải pháp có nhiều triển vọng để tăng hiệu quả xử lý NRR. Khác với quá trình keo tụ hóa học, phải sử dụng lượng lớn các chất keo tụ, do đó tiêu tốn nhiều hóa chất và lượng bùn cặn tạo ra nhiều, quá trình EC có khả năng loại bỏ hiệu quả các kim loại nặng, các hợp chất chứa phốt pho, hợp chất phenol, hydrocacbon và một vài chủng vi sinh vật gây bệnh,. là những thành phần khó phân hủy bằng phương pháp sinh học hoặc độc hại với các vi sinh vật sử dụng trong các quá trình sinh học.
Ngoài ra, quá trình này cũng dễ dàng tự động hóa và giảm thiểu sử dụng hóa chất do đó làm giảm lượng bùn cặn sinh ra. Trong khi đó, quá trình BF có hiệu suất xử lý các hợp chất lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN) và BOD5 2 cao. Đặc biệt quá trình BF trên giá thể hữu cơ rẻ tiền như than bùn, vỏ gỗ, chất dẻo có năng suất xử lý cao hơn các quá trình BF thông thường do các giá thể hữu cơ rất xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể hấp thu một lượng lớn vi sinh vật khu trú trên đó, đồng thời các quá trình hóa lý khác cũng tham gia vào quá trình xử lý, dẫn đến quá trình khử nitrat diễn ra rất mạnh. Việc kết hợp 2 công nghệ này cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý NRR, nước sau xử lý có thể đạt QCVN25:2009/BTNMT cột B2.
Trước thực trạng trên việc nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng công nghệ EC kết hợp với phương pháp sinh học là hết sức cần thiết cho xử lý NRR. Chính vì lý do trên tôi chọn đề tài Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp keo tụ điện hóa kết hợp lọc sinh học. Mục tiêu nghiên cứu: Luận án đặt ra mục tiêu nắ m bắ t đươc̣ các công nghê ̣ tiên tiế n để xử lý NRR, đă ̣c biê ̣t trong đó là công nghê ̣ EC, BF và sử dụng kết hợp 2 công nghệ này. Thông qua nghiên cứu, luận án mong muốn đạt được các mục tiêu sau: 1/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng EC.
2/ Xác định điều kiện thích hợp cho xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu quá trình EC kết hợp với quá trình BF để tăng hiệu quả xử lý NRR, đảm bảo quy chuẩn môi trường QCVN25:2009/BTNMT cột B2. Nội dung nghiên cứu: Giai đoạn xử lý NRR bằng EC 1/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR bằng điện cực sắt và bằng điện cực nhôm. Giai đoạn xử lý NRR bằng BF sau quá trình EC 2/ Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí và tải lượng đầu vào đến quá trình xử lý COD, amoni, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF.
Những đóng góp mới của luận án về khoa học và công nghệ: 1/ Xác định hiệu quả của điện cực sắt so với điện cực nhôm để xử lý chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR tại Việt Nam bằng EC. 3 2/ Kết hợp thành công quá trình EC với BF để xử lý hiệu quả chất ô nhiễm (COD, amoni, TSS và độ màu) trong NRR ở quy mô phòng thí nghiệm. Kết quả và ý nghĩa thực tiễn của luận án: 1/ Xác định được các giá trị thích hợp: mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR bằng EC. 2/ Xác định được hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS, độ màu và cải thiện tỷ lệ BOD5/COD trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm.
Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt. 3/ Xác định được mức tiêu thụ năng lượng xử lý chất ô nhiễm trong NRR bằng EC. 4/ Xác định được chế độ sục khí, tải lượng đầu vào thích hợp để đánh giá hiệu quả xử lý COD, amoni, nitrat, TSS và độ màu trong NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để hoàn thiện công nghệ xử lý NRR bằng EC kết hợp BF.
Kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng xử lý NRR trong thực tế. Những nội dung chính trong luận án được bảo vệ: 1/ Nghiên cứu mật độ dòng, thời gian điện phân, pH, khoảng cách điện cực thích hợp xử lý NRR bằng EC. Xác định được mật độ dòng J = 3,896 mA/cm2 ; thời gian điện phân 60 phút; pH NRR đầu vào = 8; khoảng cách điện cực là 1cm là phù hợp khi điện năng tiêu thụ hợp lý để xử lý là 12,83 KWh/m3 NRR. 2/ Nghiên cứu xác định được hiệu quả xử lý COD, TSS và độ màu trong NRR của điện cực sắt cao hơn điện cực nhôm lần lượt là 31,96; 11,51 và 4,35%.
Trong khi đó hiệu quả xử lý amoni của điện cực nhôm lại cao hơn điện cực sắt là 2,82%. 3/ Nghiên cứu xác định được chế độ sục/dừng sục khí và tải lượng thích hợp cho xử lý NRR sau quá trình xử lý EC bằng BF là 15/105 phút và với tải lượng amoni đầu vào không vượt quá 0,16 kg/m3/ngày thì nước thải hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đầu ra của QCVN 25: 2009/BTNMT cột B2. Hiệu suất xử lý COD, amoni, TSS và độ màu tương ứng là: 73,77 ± 0,65; 98,88 ± 0,01; 83,34 ± 0,53 và 16,70 ± 0,75%. Tổng quan về nước rỉ rác 1.
Đặc điểm, thành phần của nước rỉ rác NRR được định nghĩa là bất cứ loại chất lỏng ô nhiễm nào trong rác thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo hòa tan từ chất thải rắn thải ra trong hoặc ngoài bãi rác [3]. Các nguồn chính tạo ra NRR bao gồm nước từ phía trên BCL, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu chôn lấp bùn. Việc mất đi của nước được tích trữ trong bãi rác bao gồm nước tiêu thụ trong các phản ứng hình thành khí bãi rác, hơi nước bão hòa bốc hơi theo khí và nước thoát ra từ đáy BCL. NRR được hình thành khi nước thấm vào các ô chôn lấp theo các cách sau: - Nước sẵn có và sinh ra do quá trình phân hủy các chất hữu cơ; - Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm vào rác; - Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn lấp; - Nước từ khu vực khác chảy qua có thể thấm vào ô chôn lấp; - Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp trước khi được phủ đất và sau khi ô chôn lấp được đóng lại, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn lấp bùn.
Lượng NRR phát sinh trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào sự cân bằng nước trong ô chôn lấp. Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng NRR được trình bày trong hình 1. và lượng NRR được tính theo công thức [4]: LC = R + RI – RO – E - V trong đó: LC - NRR; R - Nước mưa thấm vào ô chôn lấp; RI - Dòng chảy từ ngoài thâm nhập vào ô chôn lấp (bao gồm dòng chảy mặt và nước ngầm gia nhập từ bên ngoài vào ô chôn lấp); RO - Dòng chảy ra khỏi khu vực ô chôn lấp; E - Nước bay hơi; V - Sự thay đổi lượng nước chứa trong ô chôn lấp: độ ẩm ban đầu của rác và bùn thải mang đi chôn lấp; độ ẩm của vật liệu phủ; lượng nước thất thoát trong quá trình hình thành khí; lượng nước thất thoát do bay hơi theo khí thải. lượng nước thất thoát ra từ đáy bãi chôn lấp chất thải rắn.